Robust interface and excellent as-built mechanical properties of Ti–6Al–4V fabricated through laser-aided additive manufacturing with powder and wire

The feasibility of manufacturing Ti-6Al-4V samples through a combination of laser-aided additive manufacturing with powder(LAAM_(p))and wire(LAAM_(w))was explored.A process study was first conducted to successfully circumvent defects in Ti-6Al-4V deposits for LAAM_(p) and LAAM_(w),respectively.With the optimized process parameters,robust interfaces were achieved between powder/wire deposits and the forged substrate,as well as between powder and wire deposits.Microstructure characterization results revealed the epitaxial prior β grains in the deposited Ti-6Al-4V,wherein the powder deposit was dominated by a finerα′microstructure and the wire deposit was characterized by lamellar α phases.The mechanisms of microstructure formation and correlation with mechanical behavior were analyzed and discussed.The mechanical properties of the interfacial samples can meet the requirements of the relevant Aerospace Material Specifications(AMS 6932)even without post heat treatment.No fracture occurred within the interfacial area,further suggesting the robust interface.The findings of this study highlighted the feasibility of combining LAAM_(p) and LAAM_(w) in the direct manufacturing of Ti-6Al-4V parts in accordance with the required dimensional resolution and deposition rate,together with sound strength and ductility balance in the as-built condition.

热处理工艺对大规格TC17钛合金棒材组织与力学性能的影响

研究了固溶温度、冷却方式、保温时间及取样方向对两相区锻造的大规格TC17钛合金棒材显微组织和力学性能的影响,并根据实验结果选择最佳热处理制度。结果表明:TC17钛合金棒材的最佳热处理工艺为800℃/2h/WQ+630℃/8h/AC;固溶温度在两相区时,随着固溶温度的升高,合金强度升高,塑性降低;固溶空冷+时效的合金较相同温度固溶水冷+时效的合金强度高、塑性低;在相同温度固溶水冷条件下,缩短固溶保温时间,可改善合金的塑性;锻造后的TC17钛合金大规格棒材存在各向异性。

NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。

钛合金材料超声滚压加工的仿真分析与实验研究

采用普通滚压加工工艺对钛合金材料进行加工时,存在因低频冲击造成的工件残余应力分布不均匀和表面硬度低等问题,为此,开展了钛合金材料超声振动滚压工艺仿真及实验研究。首先,从理论层面分析了超声滚压加工的运动学及动力学特性,找出了影响超声滚压加工性能的相关因素;然后,采用ABAQUS有限元软件建立了钛合金材料的仿真模型,分析了超声滚压对残余应力的影响及强化机理;最后,设计了钛合金工件的超声滚压实验,研究了不同参数指标对工件加工质量的影响,并根据实验结果对仿真模型和残余应力结果进行了验证。研究结果表明:随着静载荷和超声振幅的增加,工件表面残余应力分布相对均匀且趋于平稳,表面粗糙度呈现先降低后增加的趋势,表面硬度随强化层深度的增加逐渐降低;在振幅为20μm时,工件表面质量和性能相对较好,此时残余应力均值为849 MPa,表面粗糙度均值为0.1μm。该实验结果与仿真分析结果一致,验证了所建模型的可靠性,可为滚压制造工艺参数的选取提供参考。

高强TB9钛合金次生α相析出行为及力学性能

研究单/双重时效热处理对TB9合金次生α相形貌及力学性能的影响规律。借助XRD分析合金相组成,采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察显微组织,着重分析微观组织形貌随时效温度变化的演变特征,测试室温拉伸性能和断裂韧度。研究结果表明:单重时效时,晶粒内次生α相呈锯齿状和片层状析出,随着时效温度升高,α相尺寸增大,片层状α相含量增加;430℃时效时,合金强度较低,塑性较好,在470℃时效时合金强度最高;随时效温度的提高,强度先增大后维持在同一强度水平。双重时效时,晶粒内次生α相主要呈锯齿状析出,随时效温度升高,α相尺寸增大,抗拉强度先升高后降低,最高可达1542 MPa,且塑性变化较小。双重时效下合金的抗拉强度较单重时效大幅提高,这主要是由于晶界附近第二相析出强化和晶内锯齿结构α相的共同作用。

退火对SP-700合金板材组织、织构和力学性能各向异性的影响

通过光学显微镜(OM)、电子背散衍射(EBSD)及单向拉伸测试等方法,研究了退火温度对SP-700合金板材微观组织、织构和力学性能各向异性的影响。结果表明:随退火温度的升高,SP-700合金板材的晶粒等轴化程度提高;当退火温度为780℃时,退火织构类型基本不变;当退火温度为860℃时,初生α相向次生α相的转变形成了新的织构;经900℃退火后,组织类型转变为网篮组织,织构类型为棱锥织构和R型织构。α相的棱锥织构取向是造成原始板材力学性能各向异性的原因;晶内亚结构在变形初期对滑移系的阻碍作用影响了板材在不同方向上的室温强度;随退火温度的升高,晶内亚结构的消除和新的织构取向的产生导致力学性能各向异性增强。此外,晶粒形貌和相含量的差异也会导致各向异性的变化。原始板材的断裂机制均为韧性断裂,且不同方向的断口特征略有不同。

TC21合金在不同温度下进行连续多步置氢处理时的显微组织及室温力学性能

利用OM、XRD、TEM以及压缩试验等方法研究TC21钛合金经不同温度连续多步置氢处理后的显微组织及室温力学性能。结果表明:当氢处理温度超过1073 K时,α相的尺寸明显降低,β相成为主要相。随着氢处理温度的升高,δ氢化物的含量呈先增加后逐渐降低的趋势。当氢处理温度超过1073 K时,TC21钛合金在室温压缩变形过程中出现应变软化现象,且该现象随氢处理温度的升高而越来越显著。随着氢处理温度的升高,TC21钛合金的极限变形率呈先降低后增加的趋势。当氢处理温度为1123 K时,TC21钛合金的极限变形率比原始合金增加67.51%。

热处理工艺对Ti650合金板材组织演变及性能的影响研究

研究了不同热处理工艺对Ti650合金板材组织演变及性能的影响。结果表明:Ti650合金板材对固溶温度的变化较为敏感,随着固溶温度的升高,加剧了初生α相的溶解,次生α相尺寸更加细小,且交错排列,增加了位错运动的阻力,板材强度升高,塑性降低。提高时效温度,次生α相由细针状长大粗化成为长片层状或短片层状,交错排列成不同取向的集束,板材塑性大幅升高,强度略有降低。在时效温度700℃、时效时间2.5~6 h条件下,时效时间对板材组织与性能的影响较小。固溶冷却速率会影响次生α相的形核、析出和长大,降低冷却速率,次生α相由弥散的细针状长大成为短棒状,细晶强化作用减弱,板材室温强度降低,塑性提高。

超高强Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si钛合金的强化行为及模型

基于XRD、OM、SEM和TEM分析,研究超高强Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si钛合金的组织演变及强化行为。结果表明,位错强化和析出强化效应对该合金的屈服强度影响较大。冷轧+再结晶+冷轧+双时效组合工艺可获得1518 MPa的最高屈服强度,这主要归因于显微组织中的高密度残存位错及密集而细小的次生α相。建立复合强化模型,其预测误差在16.6%以内。此外,研究发现次生α相体积分数的增加可以不断强化晶内区域,这使得沿晶断裂开始出现并逐渐占据整个断裂面。

机车用钛合金弹簧的设计与制备

钛合金弹簧替代钢制弹簧应用于机车悬架弹簧可以减重40%~60%,而且钛合金弹簧具有良好的耐蚀性和阻尼特性,不仅能够抵御恶劣环境的腐蚀,增加机车的行驶里程,还能增强机车的操控性和乘架的舒适性。通过赛车用悬架弹簧实例,详细介绍TB9钛合金弹簧的设计方法和制备过程。计算得到钛合金悬架弹簧的螺旋角为9.45°,已经超出弹簧设计国家标准范围,因此对公式进行了修正。此外,还研究了温度对TB9钛合金弹簧刚度的影响。研究发现,随着温度的上升,TB9钛合金弹簧的刚度逐渐下降。

气体氮化γ-TiAl合金的抗高温氧化性能研究

γ-TiAl基合金抗高温氧化性较差限制了其在高温场景下的应用,提高其抗高温氧化性能对高温合金的研究与应用具有重要意义。以Ti-48Al-2Cr-2Nb合金为研究对象,将其置于管式炉中分别在800、900、1000℃下进行气体氮化2 h。采用光学显微镜观察显微组织,采用X射线衍射仪分析物相组成,测试维氏硬度,分析900℃下的高温氧化行为。结果表明,随着氮化温度的升高,合金基体片层组织逐渐粗化,表面膜层增厚,维氏硬度升高。在空气中高温氧化128 h后,800℃和900℃氮化后样品的质量增加仅为未氮化样品的25.3%和28.9%,表明800℃和900℃氮化后的样品具有良好的抗氧化能力。由于1000℃氮化样品因膜层存在裂纹,高温氧化时膜层和基体会与氧发生反应生成氧化物,导致质量增加显著。900℃下氮化处理能够显著提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的表面维氏硬度,增强合金的抗氧化能力。

钛合金的组织和织构对超声波检测信号的影响

超声波检测不仅能够通过缺陷的反射信号确定缺陷的尺寸和位置,也可以通过超声波波速的变化、超声信号的衰减和散射等表征具有复杂微观结构的钛合金产品。详细介绍了具有复杂微观结构以及织构特征的钛合金材料的超声波检测技术,通过超声波反馈信号分析钛合金组织、织构以及力学性能的相关信息,并介绍钛合金超声波检测技术方面的最新进展。近年来开发的钛合金超声波检测技术有织构宏区的定量表征方法、共振超声光谱无损评估方法以及模式转换超声散射技术等,并已应用于航空航天等领域钛合金零部件的无损检测。

基于医学CT与SLM技术的踝关节骨骼逆向建模与制备

基于医学CT与3D打印技术实现了骨骼重建与制造。通过对病人踝关节骨骼原始CT数据的采集,运用医学逆向工程软件Mimics及Geomagic软件对骨骼分别进行三维模型重建和骨骼曲面修复、优化,得到了骨面较为光滑平整的踝关节模型。通过对骨骼模型进行静力学分析,说明在人体结构生物力学条件下,所建立的踝关节三维模型满足力学要求。通过实验获得了TC4钛合金激光选区熔化(SLM)技术的优化工艺参数为激光功率240 W,扫描速度800 mm/s,扫描间距为0.12 mm,铺粉厚度为0.05 mm。采用该工艺参数和所建立的踝关节模型,实现了TC4钛合金踝关节3D打印逆向制造,所得制品的形状与组织成分优,满足医学使用要求。

钛合金型材热张力矫形过程温度均匀性控制研究

钛合金型材截面形状复杂,热挤压后由于截面各处散热不均,易产生扭拧、弯曲等形状缺陷,矫形难度大。热张力矫形是实现钛合金型材矫形的最有效方式,而矫形过程中型材温度的均匀性控制是实现高精度矫形的关键。以TA15钛合金薄壁锐角L型材为研究对象,研究了加热及冷却过程中型材截面各处温度的分布规律。结果表明,钛合金型材热张力矫形时,加热过程中随着加热温度的升高,型材头部、中部、尾部的温差逐渐增大,中部温度高于两端,加热至设定温度700℃时温差达50℃。冷却过程中,型材同一截面其边部温降较角部快,最高温差达100℃,随着冷却温度的降低,这种温差逐渐减小。在钛合金型材热张力矫形时,加热到设定温度后持续通电约2 min,冷却过程中用石棉布包裹型材可有效提高温度的均匀性,实现高精度矫形。

深海载人装备耐压结构用钛合金应用现状与展望

耐压结构材料是支撑海洋装备“下得去、上得来”的基础,钛合金以其质量轻、强度高、耐腐蚀的特点而成为深海载人装备耐压结构的优选材料,具有良好应用前景。该文简述了潜艇、深潜器、深海工作站和水下实验室等典型深海载人装备及其耐压结构材料的发展历程和研究进展,介绍了我国的钛工业发展现状、海洋工程用钛合金材料体系、钛合金耐压结构加工制造技术以及设计与试验研究等方面的研究基础,并结合大型深海装备钛合金结构的技术特点分析了耐压结构用钛合金的关键科学技术问题和应用需求,为深海载人装备耐压结构用钛合金的未来发展提供参考。

拉伸载荷下纯钛应变局域化的多尺度研究

基于数字图像相关技术,制备了宏观尺度、介观尺度和微观尺度的散斑,用平均灰度梯度和灰度直方图对散斑质量进行评价,从多尺度应变场测量的角度研究拉伸载荷下纯钛应变局域化变形,分析了不同空间尺度的应变场之间的共性与差异,讨论了微结构的演化及孪晶的相互作用对变形场的影响。结果表明:宏观尺度、介观尺度和微观尺度散斑的平均灰度梯度值分别为17.9、23.5、40.1,灰度直方图分布较均匀平滑,散斑质量较好;3种尺度的应变场均表现出一定程度的应变局域化,应变集中带相互交叉,且与拉伸轴呈约±45°的夹角。其中,宏观尺度的应变集中带数量较少,介观尺度下观察到大量的应变集中带,交叉处应变集中较高。微观尺度下激发了{1012}拉伸孪晶及{1122}压缩孪晶,应变集中主要分布在晶界及孪晶界处。

TC4钛合金电致塑性本构方程建立

采用自行设计的绝缘夹具对TC4钛合金板材进行了电致塑性单向拉伸试验。基于对照试验的方法,以无脉冲电流且不同温度条件作为参照,与同等温度条件下脉冲电流加热情况进行对比,以探索电流参数对TC4钛合金电致塑性效应和力学性能的影响规律。结果表明:在试验研究范围内,脉冲电流的占空比主要影响材料的温度变化,脉冲电流密度对TC4钛合金的电致塑性起主导地位,脉冲电流作用下的TC4钛合金材料抗拉强度大幅下降,塑性提高。基于Johnson-Cook模型和Arrhenius方程建立了耦合温度和脉冲电流密度的TC4钛合金电致塑性本构方程,并进行了验证。

热处理对2219铝合金薄壁旋压管组织与性能的影响

本文对2219铝合金薄壁旋压管进行了退火、固溶及时效热处理,研究了热处理工艺对微观组织、拉伸性能和液压胀形性能的影响。结果表明:2219铝合金旋压管在400℃以下退火时以回复为主,温度高于450℃时发生再结晶。随退火温度升高,基体组织逐渐由形变组织向再结晶组织转变。固溶处理时随固溶时间延长,再结晶程度逐渐增加,位错密度降低。经退火和固溶处理后,管材的硬化率和延伸率显著提高,抗拉强度随着退火和固溶温度升高而逐渐增大,固溶处理后抗拉强度达到340 MPa,延伸率提高到25%。时效处理后管材的抗拉强度进一步提高到435.2 MPa。管材液压胀形极限随热处理温度升高而升高,固溶态2219铝合金旋压管具有较好的液压胀形能力,适合进行液压成形。

形变热处理对Ti-Nb-Zr合金组织及超弹性行为的影响

Ti-Nb-Zr合金具有低弹性模量、高强度以及优异的生物相容性,在生物医用材料领域备受关注。Ti-Nb-Zr合金的超弹性归因于β↔α″相变。综述了Ti-Nb-Zr合金的弹性模量和超弹性的影响因素及变化规律。通过添加合金元素来调整相变温度和滑移临界应力,应力诱发马氏体相变更易发生,β相塑性变形延迟出现,获得更大的相变应变和恢复应变。总结了Ti-Nb-Zr合金的形变热处理与超弹性效应之间的关系和作用机制。冷轧后短时间热处理可以增加位错滑移的临界应力、避免其他相(ω或α相)的生长,保持β相的稳定性、提高合金的恢复应变和超弹性。

航天用镍基高温合金粉末床熔融技术研究进展

采用激光粉末床熔融技术(LPBF)制造镍基高温合金具有较大的生产潜力,在航空航天领域有着广泛的应用,因此这一技术受到了高度关注。近年来,为了更好地了解LPBF-镍基高温合金的性能和使用极限,相关学者对其开展了大量的研究工作。本文基于近年来多项LPBF-镍基高温合金的研究,阐述了该领域的研究目标和重要发现,并列举了LPBF镍基高温合金在航天工业中的具体应用。总体分析了工艺参数和热处理对镍基高温合金及其复合材料增材构件组织及力学性能的影响,以及LPBF过程中常用的建模方法及研究进展。最后,对LPBF-镍基高温合金的未来发展方向提出了展望。